JP2008054496A

JP2008054496A - 直流電圧源から電源系給電するための電流変換回路装置及び方法

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Publication number: JP2008054496A
Application number: JP2007211810A
Authority: JP
Inventors: Dejan Schreiber; シュライバーデーヤン
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2008-03-06
Also published as: US20080055951A1; EP1892811A2; CN101132154A; EP1892811A3; DE102006039974A1

Abstract

【課題】好ましくは太陽エネルギー装置からの時間的に一定でない直流電圧を交流電圧へと変換するための回路装置及び方法を紹介する。
【解決手段】本願発明の回路装置は、入力チョーク（５２）と、ブランチごとに好ましくはＲＢ・ＩＧＢＴであるそれぞれの第１電流弁（６２０、７２０）と第２電流弁（６６０、７６０）を有するＨブリッジ（６０）とを有し、各電流弁がスイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有する。Ｈブリッジ（６０）の交流電圧端子の両方のブランチ間には追加的にコンデンサ（８２）が接続されている。本願発明の方法では、Ｈブリッジ（６０）のＲＢ・ＩＧＢＴが周期的なパルス稼動で動作し、入力チョーク（５２）と共同で時間ごとに昇圧変換器として用いられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば２３０Ｖのピーク電圧を有する交流電圧電源系へと例えば２５Ｖと２００Ｖの間の変動を有する時間的に一定でない直流電圧源から給電するための電流変換回路装置及びそれに付属する方法に関する。この種の電流変換回路装置は例えば太陽エネルギー装置で使用される。この際、太陽エネルギー装置の放出出力と電圧は、入射される光強度並びに光電池の配線方式と数量に依存する。ここで生成される時間的に一定でない直流電圧は、電流変換回路装置を用い、交流電圧電源系へと供給されなくてはならない。

そのための従来技術は、例えば、昇圧変換器と、バッファコンデンサを有する中間回路と、好ましくは交流電圧端子にチョークとコンデンサを有するＨブリッジ回路であるブリッジ回路とを有する電流変換回路装置により形成される。

従来技術によるこの種の電流変換回路装置の構成の短所は、この際には多数の構成部品が必要不可欠であり、それによりこの装置が低コストでは製造されないということである。

本発明の基礎を成す課題は、少数の構成部品を有し、それにより低コストで製造可能であり、また交流電圧のピーク電圧よりも低い電圧値を有する直流電圧の供給を可能とする、一定でない直流電圧を交流電圧へと変換するための電流変換回路装置及びそれに付属する方法を紹介することである。

この課題は、本発明に従い、請求項１〜４の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。

本発明に従う回路装置は、一定でない直流電圧を交流電圧へと変換するために用いられ、この際、その交流電圧は、好ましくは、直流電圧値の最大値以上に位置するピーク値を有する。この回路装置は、直流電圧源と接続されている入力チョーク（入力チョークコイル）と、それに後接続されたＨブリッジと、Ｈブリッジの両方の交流電圧出力部間のコンデンサとを有する。

Ｈブリッジはブランチごとにそれぞれの第１電流弁と第２電流弁を有し、この際、各電流弁はスイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有する。各々の電流弁がリバース・ブロッキング・絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＲＢ・ＩＧＢＴ）として形成されていると特に有利である。

前記の回路装置を用い、一定でない直流電圧を交流電圧へと変換するための本発明に従う方法は、Ｈブリッジの電流弁が周期的なパルス稼動（チョッピングオペレーション）で動作し、この際、入力チョークと共同で昇圧変換器（ブーストチョッパ）として用いられることにより特徴付けられている。

次に、図１〜図４における実施例に基づき、本発明の思想を更に説明する。

図１は、例として従来技術による周知の回路装置を示している。この回路装置は、その入力部の直流電圧（１０）をその出力部の交流電圧（２０）へと変換する役割を有する。周知のごとく太陽エネルギー装置に適用する場合、典型的に入力電圧（１０）は時間に対して一定でない電圧値を有する直流電圧である。

（２３０Ｖの供給電圧を有する電源系のために例えば４０Ｖから２００Ｖまでの）大きな電圧範囲を有する入力電圧（１０）を中間回路（３０）のために一定値へと上昇させるためにこの回路装置は周知の昇圧変換器（ブーストチョッパ、５０）を有する。この昇圧変換器（５０）は、この回路装置の入力直流電圧の短絡のための逆並列接続されたダイオード（５８）を有するトランジスタ（５６）であるスイッチと、入力チョーク（入力チョークコイル、５２）及びそれに後接続されたダイオード（５４）とから構成されている。それにより中間回路（３０）内には、供給すべき交流電流のピーク電圧以上に位置する電圧値をもつ直流電圧が生成される。

昇圧変換器（５０）に後接続され、従来技術によるこの回路装置は、中間回路（３０）のエネルギー蓄積器としてのコンデンサ（４０）を、準一定電位を有する両方の直流電圧ブランチ（３２、３４）間に有する。またこのコンデンサ（４０）には、ブランチ（分岐線）ごとの第１電流弁と第２電流弁から構成されるＨブリッジ回路（６０）が後接続されている。それらの電流弁は、逆並列接続されたダイオード（６４、６８、７４、７８）を有するそれぞれのバイポーラトランジスタ（６２、６６、７２、７６）、好ましくはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）として形成されている。

Ｈブリッジ（６０）の交流電圧出力部の一方のブランチ内には出力チョーク（８０）が接続され、両方のブランチ間にはコンデンサ（８２）が接続されていて、このコンデンサ（８２）は、給電すべき交流電圧電源系（２０）と回路に適して接続されている。

図２は、本発明に従う回路装置の第１形態を示している。この際、ここでは正極性の直流電圧ブランチ（３２０）内に入力チョーク（５２）が配置されている。この入力チョーク（５２）には、ブランチごとにそれぞれの第１電流弁（６２０、７２０）と第２電流弁（６６０、７６０）を有するＨブリッジ回路（６０）が後接続されている。これらの電流弁はスイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有し、各々、ダイオード（６２４、６６４、７２４、７６４）と好ましくはＩＧＢＴであるトランジスタ（６２２、６６２、７２２、７６２）との直列配置として構成されている。

Ｈブリッジの交流電圧出力部の両方のブランチ間にはコンデンサ（８２）が接続されていて、このコンデンサ（８２）は、給電すべき交流電圧電源系（２０）と回路に適して接続されている。

図３は、本発明に従う回路装置の第２形態を示していて、この際、図２に従う回路装置に対し、ＩＧＢＴがＲＢ・ＩＧＢＴ（リバース・ブロッキング・絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）（６２８、６６８、７２８、７６８）により置き換えられていて、それによりダイオード（図２参照：６２４、６６４、７２４、７６４）を排除することができる。従って、従来技術に対し、必要な構成部品の総数が、図２に従うものよりも明らかに減少され、このことは一方ではより効果的な機能を可能とし、他方ではより安価な製造を可能とする。

直流電圧値の最大値以上に位置するピーク値を有する交流電圧へと一定でない直流電圧を変換するための本発明に従う方法は、昇圧変換器として、入力チョーク（５２）をＨブリッジ（６０）の電流弁（６２０、６６０、７２０、７６０）と共に利用する。

そのために本方法は、第１部分サイクルとそれに続く第２部分サイクルの周期的な反復を有する。第１部分サイクルは以下の順序により特徴付けられている：
・Ｈブリッジ（６０）の第1ブランチの両方の電流弁（６２０、６６０）が導電状態にあり、入力チョーク（５２）を通じる電流が流れ、この際、短絡により付属の電流強さが増加される。
・第１ブランチの第１電流弁（６２０）と第２ブランチの第２電流弁（７６０）が、適切な時間間隔の間、導電状態にあり、入力チョーク（５２）を通じる電流が、給電すべき電源系の交流電圧に対して更に流れ、この際、その電流強さは再び減少される。
・全ての電流弁を均等に負荷するためにＨブリッジ（６０）の第２ブランチの両方の電流弁（７２０、７６０）が導電状態にあり、入力チョーク（５２）を通じる電流が更に流れ、その電流強さが再び増加される。また選択的にはＨブリッジ（６０）の第1ブランチの電流弁（６２０、６６０）が再び導電状態にあり得る。
・第１ブランチの第１電流弁（６２０）と第２ブランチの第２電流弁（７６０）が導電状態にあり、入力チョーク（５２）を通じる電流が、給電すべき電源系の交流電圧に対して更に流れ、この際、その電流強さは再び減少される。

この第１部分サイクル内のこの周期的な順序の時間的な割合は、正弦波形状の出力電流の第１半波がこのパルス幅変調により適切に近似されるように選択される。出力コンデンサ（８２）は、生成された交流電圧の平滑化のために用いられる。第２部分サイクルは以下の順序により特徴付けられていて、この際、ここでも入力チョーク（５２）を通じる電流が維持され続ける：
・Ｈブリッジ（６０）の第２ブランチの両方の電流弁（７２０、７６０）が導電状態にある。
・第２ブランチの第１電流弁（７２０）と第１ブランチの第２電流弁（６６０）が導電状態にある。
・Ｈブリッジ（６０）の第１ブランチの両方の電流弁（６２０、６６０）が導電状態にある。選択的には第２ブランチの両方の電流弁（７２０、７６０）が導電状態にある。
・第２ブランチの第１電流弁（７２０）と第１ブランチの第２電流弁（６６０）が導電状態にある。

この第２部分サイクルは、第１半波に対して正反対の極性を有する第２半波を生成する。

図４は、第１インダクタンスの入力チョーク（５２）を有する本発明に従う方法の第１形態を示していて、この際、その第１インダクタンスは、下記の第２形態におけるものよりも大きく選択されている。本発明に従う方法のこの第１形態では、このインダクタンスが、入力チョーク（５２）を通じる電流（ＩＤ）がパルス稼動中に出力電圧の半波内でほぼ一定であり且つゼロには降下しないように選択されている。

ここで電流（ＩＤ）のほぼ一定な経過形態とは、電流が、Ｈブリッジ（６０）の１つのブランチの電流弁の短絡段階中に僅かに上昇し、給電段階中、即ちＨブリッジ（６０）の対角線上に配置されている電流弁が導電状態にある間には再び僅かに低下することを意味している。この経過形態に、電源系電圧の二重周波数を有する正弦波形状の振動が重なり合っている。

従って、Ｈブリッジ（６０）の駆動のパルス幅変調により、Ｈブリッジ（６０）の正端子（３２０）と負端子（３４０）の間の電圧（ＵＨＢ）の包絡線は正弦波形状の経過形態を有し、この際、電圧（ＵＨＢ）自体は、短絡段階中、ゼロに降下する。

出力電圧の半周期内で短絡段階を有する時間インターバルの合計は、出力電圧の平均値に対する入力電圧の比率により決定されている。

ほぼ一定の振幅を有する出力電流（Ｉｏｕｔ）は、時間的に平均化されて正弦波形状の経過形態に対応するパルスデューティファクタを有するパルスパターンを形成する。

本発明に従う方法のこの第１形態により直流電圧源（１０）が均等に負荷され、その理由は、エネルギーが半周期中に入力チョーク（５２）内に蓄積され、再び放出されるためである。出力部では、給電すべき電源系へとパルシングしながら電流が供給され、この際、電流（Ｉｏｕｔ）の第１調波（基本波）と電圧（Ｕｏｕｔ）は位相が合っている。

図５は、本発明に従う方法の第２形態のシミュレーション結果を示しいてる。この際、入力チョーク（５２）のインダクタンスは上記の第１形態におけるものよりも遥かに小さい。この形態では、入力チョーク（５２）のインダクタンスが僅かであることに起因し、パルス幅変調中、入力チョーク（５２）を通じる電流（ＩＤ）が一時的にゼロに低下する。

Ｈブリッジ（６０）の１つのブランチの両方の電流弁のその都度の短絡の適切に選択された時間インターバル内で入力チョーク（５２）上の電流（ＩＤ）が上昇する。Ｈブリッジ（６０）の対角線上に配置された電流弁が導電状態にある時間インターバル内では電流（ＩＤ）がゼロにまで低下する。この際、パルス幅変調法は、入力チョーク（５２）を通じる電流経過形態（ＩＤ）の包絡線が正弦波形状であるように制御される。

Ｈブリッジ（６０）の出力部では電流（Ｉｏｕｔ）が同様に正弦波形状の包絡線を有するパルシングされた経過形態を有する。コンデンサ（８２）上の出力部における電圧（Ｕｏｕｔ）は同様に正弦波形状の経過形態を示し、電流経過形態（Ｉｏｕｔ）の包絡線と位相が合っている。

従って、半周期の各々の時間インターバル内で直流電圧源（１０）から現在に必要なエネルギーが取り出されて入力チョーク（５２）内に蓄積され、引き続き電源系（２０）へと供給される。それにより供給電流（Ｉｏｕｔ）の包絡線の正弦波形状の経過形態が発生する。

従来技術による回路装置を示す図である。本発明に従う回路装置の第１形態を示す図である。本発明に従う回路装置の第２形態を示す図である。本発明に従う方法の第１形態のシミュレーション結果を示す図である。本発明に従う方法の他の形態のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１０直流電圧
２０交流電圧
３０中間回路
３２、３４直流電圧ブランチ
３２０、３４０直流電圧ブランチ
４０コンデンサ
５０昇圧変換器
５２入力チョーク
５４ダイオード
５６トランジスタ
５８ダイオード
６０Ｈブリッジ回路
６２、６６、７２、７６バイポーラトランジスタ
６４、６８、７４、７８ダイオード
６２０、７２０第１電流弁
６６０、７６０第２電流弁
６２４、６６４、７２４、７６４ダイオード
６２２、６６２、７２２、７６２トランジスタ
６２８、６６８、７２８、７６８ＲＢ・ＩＧＢＴ
８０出力チョーク
８２コンデンサ

Claims

入力チョーク（５２）と、ブランチごとにそれぞれの第１電流弁（６２０、７２０）と第２電流弁（６６０、７６０）を有するＨブリッジ（６０）とを有し、時間的に一定でない直流電圧（１０）を交流電圧（２０）へと変換するため回路装置において、各電流弁がスイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有し、Ｈブリッジ（６０）の交流電圧端子の両方のブランチ間にはコンデンサ（８２）が接続されていることを特徴とする回路装置。
第１電流弁及び第２電流弁（６２０、６６０、７２０、７６０）がそれぞれのリバース・ブロッキング・絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＲＢ・ＩＧＢＴ）（６２８、６６８、７２８、７６８）であることを特徴とする、請求項１に記載の回路装置。
第１電流弁及び第２電流弁（６２０、６６０、７２０、７６０）が、各々、ダイオード（６２４、６６４、７２４、７６４）とトランジスタ（６２２、６６２、７２２、７６２）との直列配置から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回路装置。
請求項１に記載の回路装置を用い、一定でない直流電圧を交流電圧へと変換するため方法において、Ｈブリッジ（６０）の電流弁が周期的なパルス稼動で動作し、入力チョーク（５２）と共同で時間ごとに昇圧変換器として用いられることを特徴とする方法。
第１サイクルが、以下の部分サイクル、即ち、
・Ｈブリッジ（６０）の第1ブランチの両方の電流弁（６２０、６６０）が導電状態にある；
・第１ブランチの第１電流弁（６２０）と第２ブランチの第２電流弁（７６０）が導電状態にある；
・Ｈブリッジ（６０）の第２ブランチの両方の電流弁（７２０、７６０）が導電状態にある；
・第１ブランチの第１電流弁（６２０）と第２ブランチの第２電流弁（７６０）が導電状態にある、
から成り、第２サイクルが、以下の部分サイクル、即ち、
・Ｈブリッジ（６０）の第２ブランチの両方の電流弁（７２０、７６０）が導電状態にある；
・第２ブランチの第１電流弁（７２０）と第１ブランチの第２電流弁（６６０）が導電状態にある；
・Ｈブリッジ（６０）の第１ブランチの両方の電流弁（６２０、６６０）が導電状態にある；
・第２ブランチの第１電流弁（７２０）と第１ブランチの第２電流弁（６６０）が導電状態にある、
から成ることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
稼動時には入力チョーク（５２）を通じる電流が連続的に流れ、出力電圧（Ｕｏｕｔ）と出力電流（Ｉｏｕｔ）の第１調波が同位相であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
稼動時には入力チョーク（５２）を通じる電流（ＩＤ）が包絡線の正弦波形状の経過形態を有し、出力電流（Ｉｏｕｔ）の包絡線が出力電圧（Ｕｏｕｔ）と同位相であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。